一种煤吸水量和吸水变形量测试装置及方法

本发明涉及实验设备，具体的说，涉及一种煤吸水量和吸水变形量测试装置及方法。

背景技术：

1、煤炭在我国最重要的一次能源。煤炭资源的大量开采导致矿井的开采深度逐年增加，瓦斯压力、地应力等不断加大，煤与瓦斯突出危险性随之增加。瓦斯抽采是预防和治理煤层瓦斯灾害的一种有效手段。但由于煤层地质条件的制约，我国煤层具有高瓦斯含量、低透气性的特点，抽采难度较大。为了提高煤层瓦斯抽采效率，降低煤矿瓦斯灾害的威胁，需要对煤层采取增透措施。水力化措施是近年来常用的增透手段，包括水力压裂、水射流等，取得了较好的增透效果。

2、在采取水力化措施和瓦斯抽采的过程中，煤层中的瓦斯和水分均处于非平衡状态，煤的瓦斯吸附量和水分吸附量动态变化。大量研究表明，煤吸附气体和水分将产生变形。吸附量的变化会导致煤体动态变形，引起煤内部孔隙结构等的变化，影响煤层的渗透性等，进而影响煤层瓦斯的抽采。同时，由于不同煤的成分不同，导致不同的吸水变形特性。

3、目前，国内外学者对煤吸附瓦斯量和变形量进行了大量研究，但是对于煤吸水量和吸水变形量的研究较为缺乏。因此，研究煤的吸水量和吸水变形量，对探究采取水力化措施后煤层瓦斯抽采过程中煤层的渗透率演化和评估煤层瓦斯抽采量具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种煤吸水量和吸水变形量测试装置及方法，本发明可以实现煤体试样在不同应力状态下、不同环境湿度和注水条件下的吸水量和吸水变形量的实时测量，可以获得应力条件、环境湿度、吸水量和吸水变形量之间的相互对应关系，对探究采取水力化措施后煤层瓦斯抽采过程中煤层的渗透率演化和评估煤层瓦斯抽采量具有重要意义。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种煤吸水量和吸水变形量测试装置，包括注水系统、恒湿系统、加压系统、抽真空系统和气液分离系统，加压系统安装在三轴实验机的加载台上，加压系统内设置有煤体试样，注水系统的出水端和恒湿系统的蒸汽出端均与加压系统的进水端连接，加压系统的出水端分别与抽真空系统的抽吸端和气液分离系统的流体进入端连接。

4、注水系统的出水端连接有进水管，进水管上设置有注水阀门，进水管的出水端与加压系统的进水端连接；

5、恒湿系统包括恒湿密闭容器和天平，恒湿密闭容器放置在天平上，恒湿密闭容器内盛装有过饱和溶液，恒湿密闭容器的顶部连接有蒸汽出管，蒸汽出管的上端连接在注水阀门和加压系统的进水端之间的进水管上，蒸汽出管上设置有恒湿阀门。

6、加压系统包括上压头、下压头、热缩管、轴向应变传感器和环向应变传感器，上压头的下表面和下压头的上表面上均连接有测量标具盘，煤体试样设在两个测量标具盘之间，热缩管套在煤体试样的外部并裹紧煤体试样，轴向应变传感器为一根细金属丝，轴向应变传感器的两端分别连接在两个测量标具盘上，环向应变传感器固定套装在热缩管的外圆周中部，三轴实验机的轴压施加在上压头和下压头上，三轴实验机的围压施加在热缩管上，煤体试样的中心沿轴向设有钻孔，钻孔内固定嵌设有护孔管，护孔管的壁厚为0.5mm，护孔管上均布有若干个直径1mm的渗水孔，进水管的出水端穿过上压头并贯穿固定连接在上侧的测量标具盘中心，进水管的出水端与护孔管的上端对接，下侧的测量标具盘中心贯穿固定连接有出水管，出水管的进水端与护孔管的下端对接，出水管的出水端穿过下压头并分别与抽真空系统的抽吸端和气液分离系统的流体进入端连接。

7、抽真空系统包括真空泵，出水管上沿流体流动方向依次连接有真空抽吸管和出口阀门，真空抽吸管的另一端与真空泵的抽吸端连接，真空抽吸管上设置有抽真空阀门。

8、气液分离系统包括气液分离器，出水管的出水端与气液分离器的流体进入端连接。

9、采用上述技术方案，一种煤吸水量和吸水变形量测试装置的测试方法，具体包括以下步骤：

10、步骤1：实验参数确定

11、根据煤层赋存条件和煤层物理力学参数，基于相似理论确定实验轴压和围压；

12、步骤2：实验试件制作、安装

13、现场取样制作成标准试件，得到所需的煤体试样，并做干燥处理，在煤体试样中心进行钻孔并放入护孔管，然后使用热缩管裹紧煤体试样，保证煤体试样气密性，煤体试样的上端设置上压头，煤体试样的下端设置下压头，上压头的下表面和下压头的上表面均连接有测量标具盘，再将煤体试样按照实验设计要求安装在三轴实验机的加载台上；

14、步骤3：传感器安装

15、按照实验设计，将轴向应变传感器的两端分别连接在两个测量标具盘上，同时将环向应变传感器固定套装在热缩管的外圆周中部；

16、步骤4：应力加载

17、按照确定的实验参数控制三轴实验机向煤体试样施加轴压、围压；

18、步骤5：排出吸附瓦斯

19、关闭注水阀门、恒湿阀门和出口阀门，打开抽真空阀门，启动真空泵，对整个测试装置抽真空，以排出煤样中的瓦斯，12h后关闭真空泵，关闭抽真空阀门，打开出口阀门，轴向应变传感器记录的轴向应变和环向应变传感器记录的环向应变均为初始应变；

20、步骤6：初始相对湿度设置

21、实验室室温保持在25℃附近，在该室温下，zncl2过饱和溶液在密闭容器中对应的相对湿度为10%，因此在恒湿密闭容器中放置zncl2过饱和溶液，使恒湿密闭容器中恒定为10%的相对湿度；

22、步骤7：恒湿阶段煤体试样的吸水量和吸水变形量测试

23、关闭出口阀门，打开恒湿阀门，恒湿密闭容器中的zncl2过饱和溶液产生水蒸汽通过蒸汽出管和进水管进入到煤体试样中心的护孔管中，水蒸汽通过护孔管上的各个渗水孔与煤体试样接触，煤体试样开始吸水，通过轴向应变传感器、环向应变传感器和天平分别对应监测煤体试样在吸水过程中的轴向应变、环向应变和恒湿密闭容器的质量变化，待煤体试样应变停止时，停止监测，此阶段为阶段1；

24、改变相对湿度，实验室室温在25℃附近时，c2h3ko2过饱和溶液、cacl2过饱和溶液、zn(no3)2过饱和溶液、ca(no3)2过饱和溶液、nabr过饱和溶液、ki过饱和溶液、nh4cl过饱和溶液、znso4·7h2o和k2so4过饱和溶液在密闭容器中对应的相对湿度分别为20%、31%、42%、50%、58%、69%、79%、90%和97%；

25、将zncl2过饱和溶液替换为c2h3ko2过饱和溶液，使恒湿密闭容器中恒定为20%的相对湿度，重复步骤7，此阶段为阶段2；

26、将c2h3ko2过饱和溶液替换为cacl2过饱和溶液，使恒湿密闭容器中恒定为31%的相对湿度，重复步骤7，此阶段为阶段3；

27、将cacl2过饱和溶液替换为zn(no3)2过饱和溶液，使恒湿密闭容器中恒定为42%的相对湿度，重复步骤7，此阶段为阶段4；

28、将zn(no3)2过饱和溶液替换为ca(no3)2过饱和溶液，使恒湿密闭容器中恒定为50%的相对湿度，重复步骤7，此阶段为阶段5；

29、将ca(no3)2过饱和溶液替换为nabr过饱和溶液，使恒湿密闭容器中恒定为58%的相对湿度，重复步骤7，此阶段为阶段6；

30、将nabr过饱和溶液替换为ki过饱和溶液，使恒湿密闭容器中恒定为69%的相对湿度，重复步骤7，此阶段为阶段7；

31、将ki过饱和溶液替换为nh4cl过饱和溶液，使恒湿密闭容器中恒定为79%的相对湿度，重复步骤7，此阶段为阶段8；

32、将nh4cl过饱和溶液替换为znso4·7h2o过饱和溶液，使恒湿密闭容器中恒定为90%的相对湿度，重复步骤7，此阶段为阶段9；

33、将znso4·7h2o过饱和溶液替换为k2so4过饱和溶液，使恒湿密闭容器中恒定为97%的相对湿度，重复步骤7，此阶段为阶段10；

34、步骤8：浸泡阶段煤体试样的吸水量和吸水变形量测试

35、关闭恒湿阀门，打开注水阀门和出口阀门，设置注水压力为0.2mpa，注水系统通过进水管将水注入到煤体试样中心的护孔管中，当出口阀门有水流出时，关闭注水阀门和出口阀门，护孔管中注满水，水通过通过护孔管上的各个渗水孔对煤体试样进行浸泡，通过轴向应变传感器和环向应变传感器分别对应监测煤体试样在浸泡过程中的轴向应变和环向应变变化，当煤体试样的轴向应变和环向应变保持不变时，打开出口阀门，剩余的水经由出水管排出并进入气液分离器，通过气液分离器质量变化测试浸泡过程中煤体试样吸水质量。

36、煤体试样吸水量计算如下：

37、根据恒湿密闭容器的质量变化和注水质量，通过下式计算出特定相对湿度下煤体试样的吸水量与含水率，

38、恒湿阶段：

39、

40、式中： m i为恒湿阶段的煤体试样吸水质量，g； i为恒湿的不同阶段， i=1，...，10，其中， m0=0； m ch为恒湿密闭容器降低的质量，g； m p为实验管路中的水分，g； w为煤体试样含水率，%； m d为干燥煤体试样的质量，g；

41、浸泡阶段：

42、

43、式中： m w为浸泡阶段煤体试样吸水质量，g； m wq为注水质量，g； m s为气液分离器的吸水质量，g； m10为阶段10时煤样的吸水量；

44、煤体试样吸水变形量计算如下：

45、根据煤体试样的轴向应变和环向应变，通过下式计算出煤体试样的变形量：

46、

47、式中： ε为煤体试样的体积应变，%； ε a为轴向应变，%； ε c为环向应变，%。

48、本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明的有益效果是：

49、（1）本发明可以实现煤体试样在不同应力状态下、不同环境湿度和注水条件下的吸水量和吸水变形量的实时测量，通过测试煤体试样的吸水量和吸水变形量，可以获得应力条件、环境湿度、吸水量和吸水变形量之间的相互对应关系。

50、（2）本发明的测试过程是利用三轴实验机（实验室三轴岩石力学实验机）提供外部应力，利用恒湿系统和注水系统给煤样提供水分，通过监测煤体试样吸水过程中的供水质量变化、环向应变和轴向应变，即可实现对煤体试样的吸水量和吸水变形量的测试。